大型lng儲罐的完整性管理特征

天然氣管道和危險液體管道的完整性概念和完整性管理制度逐漸從混合演變而成熟。風險識別（rbi）的設備完整性管理方法也在逐步實施，傳統的實質性管道和天然氣管道的完整性管理概念也得到了初步建立。而大型LNG儲罐特殊的罐體構造、極低的罐內操作溫度(約-162℃)、存儲介質(LNG)的危險性、超大容量的存儲空間(8×104~20×104m3/座)等本體特性和幾乎不能中斷運行的功能要求均造成其不同于一般的鋼制儲罐,其完整性概念和完整性管理特征還有待進一步研究。根據EN14620和EN1473對罐體結構分類的劃分,大型LNG儲罐可分為單容罐、雙容罐、全容罐、薄膜罐以及特殊的雙層預應力混凝土罐,其設計壓力通常小于100kPa(表壓),為常壓儲罐。本文主要探討典型LNG全容罐(金屬內罐,混凝土外罐)。1pim的實踐基礎管道完整性管理(PipelineIntegrityManagement,簡稱PIM)目前發展最為成熟,但對其范圍和內涵的探討也經歷了較長的時期,直至頒布推薦性規范APISTD1160和ASMEB31.8S,才標志著業界對其認識的基本統一。究其發展由來,PIM是在嚴重事故效應累計、油氣公司(如Enbridge、KernRiver等)和研究機構多次實踐、多學科新技術的發展及應用、美國等國家立法強制、行業規范引導、專業服務公司促進的交互過程中產生的,美國政府2002年生效的H.R.3609法案“ThePipelineSafetyImprovementActof2002(PSIA)”采用了“完整性”、“完整性管理”的概念和相關要求,直接促進美國管道公司建立和完善了PIM。從發展背景和油氣公司的直接利益訴求看,西歐、北美超過半數的油氣管道服役已超過40年,超出通常意義上的設計壽命,預計還要繼續服役25~50年。被視為完整性管理實踐典范之一的Enbridge公司的實際情況是其相當數量的油氣管道運行已超過85年。評估這些巨額固定資產并為其在預定服役期后“延壽”,以便取得更多的經濟效益,則是國外油氣管道公司實施PIM的另一個更為實際的目的,也是其實施PIM的自覺動力?！巴暾浴焙汀巴暾怨芾怼备拍畋旧磔^為抽象,即便APISTD1160和ASMEB31.8S這2部規范也未對此給出明確定義。但從相關國外管道公司的實踐歷程可以認識到:所謂“完整性”是以安全和可靠為指向、以物理結構完整和功能正常為直接訴求的一種服役狀態?！巴暾怨芾怼睂嵸|是以低成本(有效分配維護資源、避免巨額事故賠償、超齡資產“延壽”)維護系統安全可靠運行為目標,基于多種技術工具要素整合、集成后的管理體系,在企業內部以常規持續實施的項目方式運作,并對企業內的組織機構設置有一定要求。根據國內外相關實踐和業內研討可以作如下分析:PIM框架包括2套實用體系,1套技術體系和1套管理體系,其中管理體系包括政策和原則、組織機構、管理框架和流程、人員培訓等文檔體系;完整的技術體系包括數據信息庫、風險評價技術、管道檢測技術與完整性評價、管道監測技術、基于風險檢測技術、適用性評價技術、地質災害預警及評估技術、地理信息系統(GIS)、管道維護決策及應急響應技術等。從規范APISTD1160和ASMEB31.8S的最基本要求看,數據信息庫、風險評價和檢測評估構成其核心技術要素,PIM技術體系的具體構成可以靈活調整。究其實質,PIM之新不在于某一要素,而在于整個體系;不在于技術更新,而在于管理變化;不在于實質理念的推陳出新,而在于自發、自覺將其理念轉變成持續的常規項目運作。事實上,風險評價、適用性評價(FFS,又稱“合乎使用性評價”或“缺陷評價”,用于評估剩余強度和剩余壽命)及基于風險的檢驗(RBI)等廣泛適用于油氣行業的概念從20世紀90年代起就開始推行,同期,與管道相關的內外檢測技術、維搶修技術也得到快速發展和更新,此外,IT技術也催生了地理信息系統(GIS)和多種數據庫平臺。一些油氣管道公司(如Enbridge)則從20世紀90年代中期就建立了以完整性評價(檢測技術)和風險評估為核心的技術體系和管理體系。換言之,實施PIM的基本技術要素早已具備并在油氣行業自發或自覺使用了相當長的時期,是美國政府的立法和行業標準的頒布促使PIM作為集成體系在美國規范應用并引起了業內的巨大關注。除了與管道特性密切相關的部分技術模塊外,上述PIM技術體系中的數據信息庫、風險評價、檢測與監測、RBI、FFS在完整性管理中具備通用性、可遷移性。2大型lng儲水池的完整性管理2.1lng儲罐穩定性保護目標大型LNG儲罐完整性管理(LNGTankIntegrityManagement,簡稱LNG—TIM)不同于一般的油罐或液化烴儲罐的完整性管理概念,其相關規范主要包括BSEN14620、NFPA59A及EN1473,其他可借鑒的標準還有DNVOS-C503、EEMUA159、API620及APIRP575。借鑒上述PIM的概念,LNG儲罐完整性(LNGTankIntegrity)即指在保證罐內介質處于穩定運行狀態的情況下,LNG儲罐系統在全生命周期內結構完整、功能完好地處于可靠的服役狀態,不對操作人員、附近公眾及周圍環境的安全造成負面影響。“罐內介質處于穩定運行狀態”是指罐內LNG、蒸發氣處于穩定存儲、正常排放、外輸等功能狀態,沒有意外、非受控地發生介質泄漏或為了維系生產安全而引起的生產損失。之所以要求罐內介質處于穩定運行狀態,是因為一旦發生儲罐內LNG分層、翻滾、少量溢出、蒸發氣超壓較多并通過儲罐頂部安全閥直接排向大氣(可能同時遭遇雷擊或閃電)、罐內產生較大負壓以致開啟真空保護閥進入空氣等情況時,LNG儲罐及相關系統的物理完整性雖然不一定百分之百地受到損害,其預定的功能可能依然正常起作用,但上述情況確實會嚴重威脅到LNG儲罐的完整性和安全運行(未遂事故)。而對LNG儲罐內介質的管理、監測、預防和控制是可以通過運行操作來實現的。LNG儲罐自身的“結構完整、功能完好”是指LNG儲罐各組成部分具備規定的強度、氣密性、液密性及絕熱性能,結構和機械狀況良好,系統工藝過程完整?；仡橮IM的概念及其體系建立的過程,公眾安全和環境安全是政府出臺法規首要的考慮目標,操作人員的安全則在企業本應考慮的范圍之列,因此,保護人員和外界環境的安全應視為根本目標在LNG—TIM的定義中予以明確。可以認為,LNG—TIM有3個基本構成要素:結構完整、功能完整及操作完整。LNG—TIM的3要素與LNG儲罐的設計、建造、安全、調試、運行、維護、檢修、改造升級直至退役的全生命周期都密切相關。LNG—TIM即指通過集成有效、完備的多種技術工具并建立匹配的管理體制和管理體系,以保障LNG儲罐完整性得以實現的管理方法,其既指在既定框架內的技術實施、持續管理和決策過程,也包括對LNG—TIM自身定期的效能審核和改進過程,包括設施、程序和人員3要素。LNG—TIM直接表現為確保LNG儲罐系統完整性所需的人員、系統、程序和資源在其生命周期內均正確到位、可用、且適合使用。2.2配套設備及壓力保護LNG混凝土儲罐是平底帶球面罐頂的圓筒形儲罐(圖1),由9%鎳鋼內罐、預應力混凝土外罐、保冷設備、基礎設備及附屬設備構成。內罐包括內罐壁、內罐頂、內罐底板、內罐環形板及內罐附屬件等(內罐管嘴、內罐檢修孔等);外罐包括外罐金屬內襯、外罐罐頂、外罐罐底襯、外罐附屬件等;基礎設備包括地基、樁、基礎板等;保冷設備包括罐壁保冷、罐頂部保冷及底部保冷等,罐底、內外罐之間的環形空間及內罐吊頂均采用絕熱材料(泡沫玻璃、膨脹珍珠巖和玻璃棉);附屬設備包括LNG進液管線、蒸發氣排氣管線、噴灑環管、射流噴嘴、底部絕熱層內置吹掃環形管等配管、閥門、LNG泵井及其他安全設備。LNG全容罐設計壓力通常為-0.5~29.0kPa,設計溫度為-170~60℃。LNG儲罐所有管道、儀表及電氣接口均設在儲罐頂部,罐壁和罐底無開孔,LNG儲罐的氣相接口連接到蒸發氣總管。罐內設有LNG低壓泵泵井。LNG儲罐內安裝有液位計及液位—溫度—密度連續監測儀表,包括2套獨立的液位計和1套獨立的液位高—高檢測儀表,實時監測LNG儲罐的液位及工作狀況。罐內設置的高低液位報警可自動或手動切斷儲罐進料或關停罐內低壓泵,以防止裝罐過程中出現“溢罐”、運行過程中出現“抽干”現象。LNG儲罐內罐底部及外罐壁安裝有多個表面溫度計,用于監測儲罐的冷卻和停產升溫過程;罐外也設有多個測溫點,可監測LNG可能的泄漏。內、外罐間環形空間內安裝了漏氣檢測系統(低溫檢測),可測出罐壁溫度和罐底溫度。LNG儲罐的壓力保護以表壓為基準,第一級超壓保護為排火炬,第二級超壓保護為排大氣。LNG儲罐設兩級負壓保護,第一級負壓保護來自天然氣補壓,第二級負壓保護則開啟儲罐上的真空安全閥。結合上述LNG儲罐的物理結構、主要構成單元、功能和儀表控制系統,LNG全容罐完整性管理的主要風險要素如表1所示。2.3建立lng—LNG儲罐完整性管理的體系框架借鑒管道PIM的體系框架,LNG—TIM的體系框架也應包括2套嵌合系統(1套技術體系和1套管理體系),可進一步參考英國健康安全局于2000年至2004年實施的一項油氣生產設施完整性狀態檢查項目的部分結論。1)整個行業內不同公司的硬件完整性狀況差異很大,這主要取決于設施設計、建設投資(CAPEX)和后續投資(維護、改造、更新、升級)。2)企業高級管理層主要依據健康、安全和財務風險設定新項目開發投資、資產維護管理和利潤實現之間的優先權,但往往給予資產維護管理較低的優先權。必須在維修需求與升級建議之間尋求平衡時,因為受空間限制/資源限制,優先權的管理將變得更加困難。3)企業需要為高級管理層提供更好的性能關鍵指標(KPIs),以便高級管理層決策。但許多管理監控系統遠遠偏離于專業風險數據信息,忽視重大危險事件的前兆。4)即便是“安全關鍵要素(SCE)”這種重大危害風險控制保護措施項目在許多企業的各個層級內也沒有被足夠重視和正確理解,與設施完整性有關的項目實施/實踐主要通過具體工作組完成,一直未出現以高級管理層為中心的項目,因而缺乏具有關鍵意義的領導支持。5)行業對事故狀況下非安全關鍵要素和公用系統的性能下降對安全關鍵要素的影響理解不足?？梢钥闯?即使在高危險、高資產、高技術集中的近海油氣生產設施的完整性管理系統中,管理體系問題仍是完整性管理的主要問題。建立LNG—TIM的本質就是在戰略層次上依托于IT信息平臺實現管理工具包與技術工具包的聯合設計,由企業制定政策、確定目標,成立正式的管理機構,提供管理支持,明確組織職責,通過規范、穩健的管理程序加以實施,包括管理層級、所需技術專家、技術要求和程序說明書、審核要求與技術工具包的選擇和實施。根據OGPReportNo.415的觀點,較大損失通常源于多重安全保護措施在復雜情景下的失效,而簡單基于經驗的危害識別和風險評估很難處理這種情況;良好的資產安全績效并不能確保對重大事故的良好防范;采用適當的設施技術標準固然重要,但并不足以預防重大事故,管理良好的組織化措施與人員能力在維持保護措施的有效性上同樣重要。參考APISTD1160、OGPReportNo.415及計劃、執行、檢查、改進(PDCA)的持續改進循環,提出LNG—TIM的管理框架如圖2所示。第一步“確定環境”,包括組織外部因素(如相關法律法規、規范標準)及組織內部因素(如完整性管理政策及規程、組織設置與職責權限等管理體制、操作管理和維護的人員能力等)。第二步“數據支持”,同PIM中的數據信息庫,包括屬性數據、運行和監測數據、維修/維護數據、檢測數據、失效數據等。“風險識別、分析與評估”、“響應、措施”、“變更管理”、“效能評估”及“監控”同PIM,其通用性強,可參照APISTD1160中的具體規定。在“響應、措施”中,通常工程化的安全措施比程序性安全措施要可靠,被動系統(如開闊空間、重力排放、自然通風等)比觸發系統(如消防水、泡沫、緊急隔離閥等)要更為可靠?！靶茉u估”和“監控”的范圍不僅包括LNG—TIM系統的整體一致性,還應包括相關政策、組織和文件、計劃和資源配置、執行與監控本身?！皽贤ê妥稍儭敝械臏贤愋?、頻率和內容應貫徹整個過程,而很重要的是應與行業內其他企業及企業內部進行相互交流和協作,取得所需的技術支持、培訓、能力培養、經驗和技術分享,實現持續改進。LNG—TIM是在LNG儲罐壽命期內動態循環實施的常規管理項目,確保完整性方法在實施過程中不斷完善,對于事實上持續發生的設施退化、安全措施短暫實效、作業變化、維護失誤、人員技能不足等應及時識別和應對,對LNG儲罐系統的結構完整、功能完整及操作完整進行周期性評估、響應和效能審計,改進完整性程序中的設施、程序和人員這3要素的服役狀態。2.4lng儲罐安全運行策略LNG儲罐的特點決定了其不適于完全采用預防性的周期性檢修模式。LNG儲罐的完整性評價方法是以風險管理為核心的模式,其完整性評價技術是以LNG儲罐本體及其附屬設施的風險評估為核心,結合配套專業(如機械、儀控、電、消防等)提出的評價方法,綜合評定LNG儲罐系統的完整性狀態,按失效可能性選擇檢測方法和運營策略,按風險大小確定日常維護、監測的重點,實現LNG儲罐系統安全可靠地長周期運行。LNG儲罐的完整性評價需要一整套技術標準和基礎數據庫的支持,可以設計將監控、檢測技術、適用性評價甚至應急搶維修模擬仿真技術融入日常管理和定期評價過程中,實現這一過程的手段是適用的監測和檢測評價技術,核心是LNG儲罐的風險評估和適用性評價。2.4.1建立lng儲罐信息數據庫LNG儲罐系統數據信息庫主要匯集能反映LNG儲罐系統狀況和風險源的必要數據和信息,包括:(1)與設計、制造、操作、維護、監測、運行異常等相關的信息以及具體LNG儲罐特有的故障和問題等相關信息;(2)腐蝕、侵蝕、蠕變、疲勞、機械損傷和脆性斷裂等LNG儲罐功能退化、失效機理、誘發因素及其后果;(3)致使缺陷擴展、降低LNG儲罐性能或可能造成新缺陷的情況信息;(4)對于人員、環境和操作產生危害影響的信息。其中的運行數據重點記錄LNG儲罐超壓排放和負壓處理、加熱系統異常、氣體泄漏或液體溢出、閥門卡塞、過量充裝、結冰和管道堵塞、儲罐及其輔助裝置和毗鄰管道系統的機械損傷、任何修改或改造工作等歷史信息。數據信息庫的具體來源包括裝置和附件的設計圖紙、施工記錄、材料合格證明、制造設備的技術數據、驗收報告、設備運行和管理計劃、應急處理計劃、事故報告、技術評價報告、操作規范和相應的標準等,還包括專家經驗信息。為便于實施,應建立可動態更新的完整性評價技術清單模版,包括具體指標的歷史數據和趨勢。該數據信息庫應覆蓋實施LNG儲罐完整性管理和決策所需的全部信息,是實施完整性評價的核心支持平臺。由于信息數據總體龐雜,必要的分類、層次結構、搜索方法在數據信息庫的設計中非常重要。2.4.2lng儲罐混凝土外罐存在的問題及解決方法根據識別出的危險因素,選擇合適的完整性評價技術及其組合,針對LNG儲罐本體和附屬設施的具體部位、整體系統進行風險評價、動態監測分析及直接檢測驗證。該過程可借助于專業軟件。對于具體危險因素(如外罐混凝土壁裂縫)的評價應與其他信息進行關聯和綜合評估。對于高概率的具體缺陷應設法采用檢測工具核實,進而采取維護策略;如果無法直接檢測,應制訂風險減緩計劃和實際的監控手段,最終形成有決策參考價值的完整性評價報告,并在反饋后更新周期維護策略,形成基于評價結果的維修策略。其具體實施可以通過應用軟件在LNG儲罐可視化三維界面上來進行評估、決策與維搶修,實現完整性管理的可視化、智能化及數據共享。完整性評價的硬件依托包括現場測量設備和監測設備。根據規范EN14620,LNG儲罐面臨的外部風險來自自然或環境(雪、地震、強風、閃電、洪水、高溫)、基礎設施(飛機失事、來自臨近設施的沖擊如火災、爆炸、運輸事故)、場地平面布置(裝置的火災和爆炸、泄壓閥起火、建筑和交通等)、操作原則或慣例和設備失常等。LNG儲罐面臨的內部風險主要來自機械故障(熱沖擊、腐蝕、基礎凍脹、法蘭泄漏等)、設備故障(泄壓閥、液位計等)、操作和維護不當等(裝料過滿、翻滾、泵脫落、過壓等)。LNG儲罐在LNG充裝過程中,可能有少量LNG從內罐溢出產生局部“冷點”問題。此外,管道法蘭、閥門(如襯墊壞損)可能引起泄漏并對罐頂或管壁外殼產生影響。在LNG儲罐的壽命期內,應采取措施有效防止混凝土外罐中預應力鋼筋和鋼絲束的腐蝕,而絕熱材料則可能因施工或運行過程中的機械外力、潮氣或水或氣候因素(包括儲罐水壓試驗)及外部火災導致損壞。根據規范DNVOS—C503,混凝土儲罐外罐本體的風險包括結構蠕化變形、幾何形狀異常、開裂、碳化、內部鋼筋腐蝕、外涂層損傷、氯離子侵蝕、鹽霧腐蝕、凍脹或凍融破壞、剝落分層及局部沖擊損傷。APIRP575也指出混凝土儲罐可能會因沉降、溫度變化而出現裂紋,因氣候條件而遭到損壞,因混凝土剝落、鋼筋長期暴露發生大氣腐蝕。LNG儲罐的外部應力腐蝕開裂與保溫層潮濕出現氯化物或氯化物進入保溫層有關。根據相關文獻,國內外對預應力混凝土結構耐久性的研究相對較少,但在世界范圍內統計的預應力混凝土失效事故中預應力鋼筋腐蝕引起的破壞占絕大多數,而預應力鋼絲發生銹蝕時,并不像非預應力混凝土結構中鋼筋銹蝕那樣會在表面產生銹斑,引起混凝土保護層的剝落、層裂等,而極有可能在無任何預兆的情況下導致結構的突然破壞。根據國外對核電站預應力混凝土安全殼的調查報告,混凝土外壁出現的表面裂縫主要由收縮應力和溫度應力引起,一般不會對結構的承載能力造成太大影響,但對混凝土的耐久性卻有極為不利的影響。在裂縫開展的局部區域,混凝土更容易被碳化,海風帶來的氯離子更易侵入混凝土內部,引起鋼筋、預應力筋的銹蝕,降低其承載力,從而在安全殼裂縫局部區域形成混凝土老化薄弱層。建議對安全殼筒壁上的裂縫寬度、走向進行持續跟蹤,對寬度大于0.3mm的裂縫(其延伸深度幾乎都能到達預應力筋)應及時進行壓力灌漿處理。在泄漏工況下,LNG儲罐結構會產生較大的低溫應力,由內罐泄漏引起的荷載是設計LNG儲罐結構的控制荷載,因此,類似泄漏事故也會降低混凝土外罐的耐久性能。法國燃氣公司于2006年啟動了對1個12×104m3和1個8×104m3的LNG儲罐混凝土外罐完整性的技術評價工作,并由OxandSA技術公司負責技術支持,同時對9%鎳金屬內罐進行了檢測和診斷。對于服役較長時間的LNG儲罐,其內罐、外罐、基礎、絕熱系統的完整性評價主要依靠基于風險檢測(RBI)和適用性評估(FFS)的技術手段,其基本依據是LNG儲罐運行和設施老化方面的經驗及LNG儲罐缺陷后果說明書。一般類型的鋼制儲罐檢測技術包括磁漏檢測、表觀檢測、射線檢驗、超聲波檢測、真空箱檢測、滲透或磁粉檢測及其他方法,但對于LNG儲罐則有極大不同,除非有足夠的監控數據和風險評估結果表明LNG內罐可能發生損傷(如施工遺留損傷),否則,通常不會考慮對其進行開罐檢查,而上述直接檢測措施在LNG儲罐服役狀態下大部分無法實施。正如規范EEMUA159所指出的,對低溫液體儲罐定期內部檢查沒有技術保證,只要儲罐在其設計或操作壽命之內操作,應當借助外部檢查和操作歷史加以確認。根據行業運行經驗,LNG儲罐的9%鎳鋼內罐具備明顯的“免維護”特點。如法國燃氣公司在2003年拆解了其位于南特(Nantes)、服役年限超過40年的500m3LNG單容罐,通過無損檢測和取樣試驗,發現其9%鎳鋼罐依然狀態良好;位于文萊的BLNG公司于1993年拆解了服役超過20年的6.5×104m3LNG單容罐,發現除了外罐的固定螺栓、罐頂噴嘴法蘭接頭、消防噴水滅火系統的噴嘴、電氣、儀表支撐、外罐底部加熱導管及外罐底部環板邊緣腐蝕嚴重外,9%鎳鋼內罐狀態良好,且絕熱材料(包括珍珠巖粉末、玻璃棉毯、泡沫玻璃磚及珍珠混凝土磚)均性能良好;SNAM公司于1995年退役了位于意大利服役超過25年的50000m3LNG單容罐,并改造成預應力混凝土外罐的雙容罐,通過對9%鎳鋼內罐進行入罐檢查和詳細檢測,發現其狀態良好且適合繼續使用;日本燃氣公司從1969年開始運營LNG接收站至今,僅對地上LNG儲罐的外罐和罐底多處腐蝕處進行了檢測和維修,而采用超聲波設備和新研發的低溫內窺設備進行內罐非開罐檢測后,證實LNG內罐狀態良好;美國SDG&E公司在1990年拆解了2個分別為20000m3(建于1965年)和40000m3(建于1970年)的